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基于行人安全的城市内涝风险等级评估
更新时间:2021-03-03 来源:给水排水 作者:宋瑞宁、任梦瑶、闫攀、赵杨、李小宁

由暴雨引起的城市内涝在我国频繁发生,对居民的人身安全构成了巨大威胁。以往的研究忽略了内涝灾害中水流对行人安全的潜在风险,通过对城市暴雨条件下影响行人安全的因素进行综合分析,发现内涝对人类的危害程度通常与内涝形成的流速和积水水深有密切关联。在借鉴英国洪水评价方法的基础上,以某新区为例研究了基于行人安全的评估方法在不同重现期、降雨历时情景下的内涝风险等级。结果表明:该方法不仅能够反映内涝风险区域位置,而且还能对暴雨天气下行人的安全性提供预警信息,是一种较为全面的内涝风险等级评估方法。

随着城镇化的快速发展,人类活动范围的不断扩张,再加上气候变化带来的极端降雨频发,城市内涝问题日益突出,对人民群众的人身安全构成了巨大威胁。为有效应对暴雨带来的风险,提升城市排水防涝能力,降低内涝灾害带来的损失,对城市内涝风险进行科学评估是有效的管理途径。目前,大多数学者采用积水深度、积水时间、淹没范围以及区域的重要性等指标对城市交通、基础设施或整个城市进行内涝风险评估,而针对城市内涝灾害中地表水流对行人安全的潜在风险研究较少。因此,本文以城市中行人的安全为重点,从积水深度和流速两个因素进行综合考量,根据城市内涝风险等级的划分标准进行评估,从而为排水防涝规划、城市内涝治理等方面提供科学依据。

影响行人安全的因素

城市暴雨过程中行人的安全,即行人在水流作用下的稳定程度,主要通过某一水深条件下人体失稳时的流速来反映。Foster等以6名9~13岁的男性儿童作为研究对象,测试他们在水流作用下的稳定性。结果表明水的流态对人的安全影响较大,尤其是水深和流速。澳大利亚的降雨与径流指南上规定,为了防止行人在暴雨条件下被道路上的水流冲倒,在街道和主要径流通道的流速和深度的乘积一般不超过0.4 m²/s。

目前已有一些机理研究和试验研究表明,影响行人在水中行走稳定性的主要因素有摩擦和力矩。摩擦失稳通常发生在来水的冲力超过人与地面之间的摩擦力,力矩失稳通常发生在绕流阻力的力矩超过人的有效重力的力矩。Keller 等对汽车和人的稳定性进行了理论研究,研究发现在流动深度小于0.55 m时,摩擦失稳占主导地位,而流动深度大于0.55 m时,力矩失稳站主导地位。对于儿童来说,失稳的流速和深度的乘积值为0.12~0.55 m²/s,成年人的为0.35~1.4 m²/s。Jonkman和Penning-Rowsell对一名身高1.7 m,体重为68 kg的专业特技人员进行了水流对稳定性的现场实验,结果表明在水深为0.35 m时,实验者在流速为2.4~2.6 m/s时失去平衡而摔倒;在水深为0.26 m时,实验者在流速为3.0~3.1 m/s时摔倒。Lind等对比分析了不同模拟人体稳定性的模型,结果表明流速、水流深度、被测试者身高和体重是影响稳定性的重要参数。Cox等通过对以前实验室和现场调查收集的数据重新分析发现,对于儿童来说最大水深不超过0.5 m,流速和深度的乘积值小于0.4 m²/s时处于低危险性;对于成人来说最大水深不超过1.2 m,流速和深度的乘积值小于0.6 m²/s时处于低危险性。

为了真实反映行人在城市环境条件下的安全性,Russo采用典型城市十字路口横截面的物理模型来评估人在各种水动力条件下试图穿过被水淹没的街道时的稳定性,模型的纵坡可以从0~10%变化,横向坡度为2%,旨在确定行人在不同水深和流速组合下过马路时的危险水平。Martínez-Gomariz等在实验室通过物理模型模拟城市暴雨条件下低深度、高流速对人造成不稳定的阈值,结果表明:所有评估者不稳定点的最低阈值为流速和深度的乘积值0.22 m²/s,远低于流速和深度的标准乘积值0.5 m²/s。因此,在城市排水和暴雨管理领域中将暴雨事件中产生的水力变量(水深和流速)作为一个危险程度,针对危险程度进行等级划分,从而评估内涝对城市中行人潜在的风险。

表1 试验研究参数对比

表一.jpg

内涝风险等级评估方法

目前,国内常用的内涝风险等级是基于积水深度和积水时间划分的,每个等级对应了不同的积水深度和积水时间,同时也代表了受影响的严重程度,主要应用于城市交通、基础设施等预警。

对城市暴雨条件下影响行人安全的因素进行综合分析可知,城市内涝对人类的危害程度不仅仅是受积水水深和积水时间影响,还与内涝形成的流速有密切关联。此外,还会受人类行径过程中稳定性的因素影响,比如水温、井盖缺失引起的滑倒或绊倒等因素。因此,借鉴英国洪水风险评价方法,行人安全的评估主要以模拟结果中积水深度与流速来计算危险性指数,并且根据《室外排水设计规范(2016年版)》(GB 50014-2006)中积水深度的要求修正公式中水深危害参数的水深阈值,如式(1)所示:

式(1).jpg

式中 HR——危险性指数;d——积水深度,m;v——流速,m/s;DF——水深危害参数,d≤0.15 m,DF=0.5;d>0.15 m,DF=1.0。

将内涝风险评估范围划分成若干单元格,再根据积水深度、流速和水深危害参数等风险因素,对每个单元格进行危险性指数计算,最终确定内涝风险等级,具体内涝风险等级划分见表2。

表2 基于行人安全的内涝风险等级划分

表2.jpg

案例分析

城市综合流域排水模型(InfoWorks ICM)采用一维和二维水动力学计算模型,通过模拟城市地上地下所有的雨水系统精确再现了排水系统中的所有水流路径。其中,二维地表洪水模拟技术可以精确地在复杂地形上进行水流模拟,模拟结果可以提供内涝风险评估所需的积水深度、流速和积水时间等数据。

3.1 研究区概况

本文选择某新区作为研究对象,大部分为未开发地块,面积约为33.4 km²,如图1所示。该区域多年平均降雨量约为520 mm,5至10月降雨量较多,其中7至9月降雨量最大,且夏季降雨多以暴雨形式出现。因此,选取此区域研究城市内涝对行人安全的影响具有一定的指导意义。

图1 研究区域示意

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3.2 汇水区划分及参数设置

依据排水管网规划图中的汇水分区,并结合管网分布位置采用泰森多边形法进行子汇水分区的划分。根据研究区域的土地类型,通过模型的面积提取工具获取各子汇水区的产流表面面积。由于此区域地块大多未经开发,故采用研究区域控制性详细规划中的用地指标进行计算。

研究区域下垫面类型共分为地块、道路和绿地三类,其中地块需要根据控规指标中的建筑密度和绿化率计算出建筑和绿地的面积。在模型中产流表面分为屋面、绿地和道路,不同产流表面的产流、汇流参数根据文献确定。

3.3 地形数据修正

为了提高二维地表漫流模型模拟结果的精度和可靠性,真实地反映出城市内涝对行人安全的影响,需要对研究区域的地面高程模型进行修正。黄国如等在模拟城市洪涝灾害时,对道路降低了15 cm突出道路的行洪作用,对房屋提高了15 cm以表示房屋门槛或台阶的挡水作用。在本研究中,由于道路的竖向标高已确定,因此对地块的标高抬高了30 cm来表征房屋门槛或台阶的挡水作用,如图2所示。对修正后的地面高程模型进行2D区间网格化,共划分52万个网格,其中最大网格面积为100 m²,最小网格面积为25 m²。

表3 集水区产汇流模型参数设置

表3.jpg

图2 研究区域地面高程修正示意

图2.jpg

3.4 降雨数据

研究区域的内涝防治标准:近期为30年一遇,远期为50年一遇,因此分别采用短历时和长历时设计降雨对研究区域进行情景模拟,模拟设计降雨条件下内涝动态淹没过程,并在此基础上进行城市内涝风险等级评估。

式2.jpg

式中 q——设计暴雨强度,L/(s·hm²);t——降雨历时,min;P——设计重现期,年。

短历时设计降雨采用芝加哥雨型,雨峰系数取0.4,时间间隔为5 min,降雨总历时为120 min。长历时设计降雨采用时间间隔为5 min,降雨总历时为1 440 min的当地雨型,具体降雨过程线如图3所示。

图3.png

a 短历时设计降雨

图3.1.png

b 长历时设计降雨

图3 不同重现期设计降雨过程线

3.5 结果与分析

采用基于行人安全的内涝风险等级评估方法,以模拟结果中的最大积水深度和对应的流速计算危险性指数,然后根据危险性指数阈值划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级,从而得到重现期30年、50年2 h和24 h设计降雨情景下的城市内涝风险等级图,如图4所示。

图4.png

a 30年一遇2h

图4 .2.png

b 50年一遇2h

图4 .3.jpg

图4 不同情景模拟下的内涝风险等级

随着降雨量的增加,地表积水范围逐渐增大,风险等级为Ⅰ~Ⅲ级的区域面积也随之增加,如表4所示。在不同模拟情景条件下,Ⅰ级风险区域分布广泛、占比最大,分别为85.23%、83.89%、83.52%和82.67%,但是对行人的安全威胁较小;Ⅱ级风险区占比次之,分别为9.73%、9.82%、9.91%和9.64%,对于儿童、老人和弱者的安全来说威胁较大;Ⅲ、Ⅳ级风险区占比较小,但是对大多数人的安全威胁较大,需要着重关注这些区域。通过对模拟结果进行分析可知,基于行人安全的评估方法不仅能够较好地反映内涝风险区域位置,而且还能对暴雨天气下行人的安全性提供预警信息,是一种较为全面的内涝风险等级评估方法。

表4 内涝风险等级面积统计

表4.jpg

3.5.1 不同降雨历时对风险等级评估的影响

在同一重现期条件下,随着降雨历时的增加,降雨量增大、积水范围增大、各风险等级面积也随之增加。在30年重现期时,24 h设计降雨中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险区面积比2 h设计降雨中增加了34.27%、36.77%、50.59%和50.00%。在50年重现期时,24 h设计降雨中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级风险区面积比2 h设计降雨中增加了34.51%、34.28%、47.34%和39.39%。这是因为而随着降雨历时的增加,累积降雨量逐渐增大。当超过管网容纳的体积时,降雨开始沿地表流动,导致地表低洼处积水范围逐渐增加,从而使得各级风险区面积增加。因此,间接说明了当重现期一定、最大降雨强度相差无几时,降雨历时影响城市内涝风险的作用显著。

3.5.2 不同重现期对风险等级评估的影响

在同一降雨历时条件下,随着重现期的增加,各风险等级面积也随之增加,但是Ⅰ级风险区所占比例在降低,Ⅲ、Ⅳ级风险区所占比例在升高。以24 h降雨历时为例,在重现期为30年的降雨中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ级风险区所占比例为83.52%、6.50%、0.08%,而在重现期为50年的设计降雨中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ级风险区所占比例为82.67%、7.57%、0.13%。随着重现期的增加,Ⅰ级风险区减少了0.85%,Ⅲ、Ⅳ级风险区增加了1.07%、0.05%。这是因为随着重现期的增加,降雨强度也随之增加。当超过了管网排水能力时,地表积水深度开始逐渐增大,从而导致Ⅰ级风险区所占比例降低,Ⅲ、Ⅳ级风险区所占比例升高。因此,也间接说明了当降雨历时一定时,高重现期影响城市内涝风险的作用更加显著。

城市内涝灾害中的地表水流深度和流速是暴雨天气下影响行人安全的重要因素。在现行内涝风险评估等级划分的基础上,借鉴英国洪水风险评价的经验,引入并修正了内涝灾害危险性指数的计算方法。以某新区为例对该评估方法的应用进行了解析,由此得到更为精确、细致且综合考虑行人安全的内涝风险等级图,为未来各城市内涝风险图绘制、内涝灾害应急预案编制等提供重要参考依据,从而提升城市建设过程中的内涝风险管理水平。

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